計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)上行和載波通信聯(lián)合測試研究

梁捷

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，南寧 530023）

0 前言

計(jì)量數(shù)據(jù)采集的可靠性日益受到重視。該系統(tǒng)在運(yùn)維過程不時(shí)會(huì)出現(xiàn)終端上線率不穩(wěn)定、參數(shù)下發(fā)失敗、數(shù)據(jù)采集成功率低等問題[1]。但由于計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的通信單元主要包括主站、采集終端，載波通訊模塊[2]和電能表等，涉及多個(gè)廠家。且信道包括上/下行和載波模塊和電能表的交互接口等[3]，信道覆蓋面廣，協(xié)議層級(jí)較復(fù)雜，給通訊故障的快速定位和原因分析帶來困難[4]。

為使得通訊故障的排查范圍能覆蓋至各通訊單元和信道，實(shí)現(xiàn)上行和載波各通信環(huán)節(jié)的聯(lián)合測試，本文在研究電表載波模塊地址分配和電能表數(shù)據(jù)采集的測試原理和流程的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種電力線載波(power line carrierwave，PLC)用電信息采集系統(tǒng)測試方案和應(yīng)用平臺(tái)。并通過關(guān)于電表載波模塊和計(jì)量終端的兩個(gè)故障案例驗(yàn)證了該平臺(tái)的實(shí)用性。

1 測試平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)架構(gòu)

計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)常見上、下行通訊方式分別為GPRS和低壓窄帶電力線載波方式，據(jù)統(tǒng)計(jì)，該系統(tǒng)PLC現(xiàn)場抄表故障原因主要源于兩方面：軟件方面為上/下行通信規(guī)約解析不一致、計(jì)量主站下發(fā)報(bào)文故障，計(jì)量終端數(shù)據(jù)上報(bào)錯(cuò)誤等；硬件方面為計(jì)量自動(dòng)化終端或PLC模塊通訊故障和無線通訊干擾[5]等。

圖1 測試平臺(tái)簡圖

為實(shí)現(xiàn)計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)PLC抄表故障的準(zhǔn)確定位，針對上述常見的通訊方式設(shè)計(jì)測試平臺(tái)如圖1。

該平臺(tái)由數(shù)據(jù)管理器、數(shù)據(jù)分析模塊、模擬主站等組成。其中模擬主站可根據(jù)測試方案，按照上行通訊協(xié)議[6-8]對計(jì)量終端下發(fā)測試報(bào)文，以及接收和解析終端回復(fù)的報(bào)文。

數(shù)據(jù)管理器可對電表和PLC模塊間的報(bào)文進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)，并對整個(gè)系統(tǒng)的報(bào)文信息進(jìn)行監(jiān)聽，分析模塊可對監(jiān)聽到的報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷并給出結(jié)果。數(shù)據(jù)管理器與PLC模塊和電表的通訊方式為RS232串口方式。

由于終端不支持“終端-模擬主站”以及“終端-數(shù)據(jù)分析模塊”兩條信道的同時(shí)通信，設(shè)置終端接入控制模塊，它通過修改診斷終端的通訊服務(wù)器參數(shù)，控制終端TCP/ΙP（Socket）通信連接的建立，接管終端與主站的通訊鏈路。

數(shù)據(jù)分析模塊一方面可比較待測PLC模塊回復(fù)數(shù)據(jù)和電表實(shí)際數(shù)據(jù)，判斷PLC模塊的數(shù)據(jù)采集功能是否正常，同時(shí)根據(jù)報(bào)文中附帶的時(shí)間信息評(píng)估通訊延時(shí)。另一方面可通過終端的測試用RS232串口搜集終端通訊參數(shù)、信號(hào)強(qiáng)度，撥號(hào)情況等信息，并獲取模擬主站收到的上行報(bào)文，對上行無線信道的故障進(jìn)行多方面分析判斷，綜上可實(shí)現(xiàn)計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的上/下行信道和PLC模塊與電能表的多點(diǎn)信道故障綜合測試，有利于提升通訊故障排查水平，改善運(yùn)維工作質(zhì)量。

1.2 測試流程

該平臺(tái)的測試范圍覆蓋至計(jì)量終端及多個(gè)PLC模塊之間的通訊信道，測試流程見圖2和圖3。

圖2 本文平臺(tái)的上行GPRS方式測試流程

上行測試主要步驟為：

1) 數(shù)據(jù)分析模塊首先根據(jù)故障終端類型和故障現(xiàn)象對故障進(jìn)行初步分類，并選擇相似條件的方案，載入診斷任務(wù)和專家知識(shí)庫，并控制終端接入控制模塊切換至RS232通道。

2) 數(shù)據(jù)分析模塊通過RS232通道召測終端通信參數(shù)，并將其返回?cái)?shù)據(jù)庫存儲(chǔ)。

3) 數(shù)據(jù)分析模塊對采集到的通訊報(bào)文進(jìn)行規(guī)約解析，提取參數(shù)信息，若不需結(jié)合終端實(shí)時(shí)和歷史報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，則根據(jù)專家知識(shí)庫中的診斷知識(shí)或在線輸入的新的診斷知識(shí)，執(zhí)行終端故障原因匹配和診斷，得出診斷結(jié)果。

4) 若需結(jié)合終端實(shí)時(shí)和歷史報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，則控制終端接入控制模塊切換至GPRS無線通道。通過模擬主站搜集終端歷史數(shù)據(jù)和召測實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將終端參數(shù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)返回?cái)?shù)據(jù)分析模塊進(jìn)行規(guī)約解析。

5) 數(shù)據(jù)分析模塊根據(jù)步驟(3)和(4)搜集的信息進(jìn)行診斷；

6) 根據(jù)故障原因和診斷結(jié)果，從專家?guī)熘蝎@取相應(yīng)解決方案，并匯集成終端故障診斷報(bào)告，最后進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。

圖3 本文平臺(tái)的下行載波方式測試流程

下行測試主要步驟為：

1) 首先設(shè)置下發(fā)報(bào)文內(nèi)容，確定待測PLC模塊數(shù)量、起始電表地址、測試超時(shí)時(shí)間，重測次數(shù)和輪循次數(shù)等參數(shù)。如果待測PLC模塊經(jīng)下發(fā)報(bào)文后未正常應(yīng)答，且等待回復(fù)時(shí)間大于超時(shí)時(shí)間，則判斷此次通訊異常，重新對該模塊下發(fā)命令，若重復(fù)次數(shù)達(dá)到重試次數(shù)，則判斷該模塊異常。

2)給待測PLC模塊和計(jì)量終端上電，模塊自檢、規(guī)約一致性判斷，建立同電表和模擬主站通信連接等。

3) 模擬主站為每個(gè)電表PLC模塊分配長度為10位的邏輯地址。PLC模塊收到地址配置報(bào)文后回復(fù)確認(rèn)。若模擬主站未收到某一模塊的確認(rèn)報(bào)文，則重新進(jìn)行分配，直至達(dá)到最大重試次數(shù)。

4)模擬主站通過計(jì)量終端向待測PLC模塊下發(fā)抄表命令。數(shù)據(jù)管理器實(shí)時(shí)監(jiān)聽信道中各通信單元之間的交互信息，并保存至數(shù)據(jù)庫。

5)數(shù)據(jù)分析模塊對監(jiān)聽記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，若模擬主站接收到的數(shù)據(jù)與電表實(shí)際數(shù)據(jù)一致，則認(rèn)為該模塊數(shù)據(jù)采集功能正常；否則根據(jù)歷史記錄報(bào)文，可進(jìn)行故障分析和故障點(diǎn)定位。

對比于文獻(xiàn)[9]，本平臺(tái)將故障的分析范圍擴(kuò)展到計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的上/下行信道，且可實(shí)現(xiàn)PLC模塊層的故障定位。

2 測試案例分析

測試案例包含24只電表PLC模塊和單相電能表，1個(gè)集中器。為排除市電中的噪聲等干擾源對通訊環(huán)境的影響，測試平臺(tái)由經(jīng)電源凈化裝置過濾的市電進(jìn)行供電。

主要包括4個(gè)測試項(xiàng)目：

a)上行無線通信測試。

b)上線穩(wěn)定性測試。

c) PLC模塊地址分配測試。

d)數(shù)據(jù)采集測試。

各項(xiàng)目對應(yīng)的診斷任務(wù)的主要內(nèi)容為：

2.1 上行無線通信測試

首先人工設(shè)置終端通信參數(shù)，然后根據(jù)圖2流程執(zhí)行通信參數(shù)測試方案，下發(fā)診斷任務(wù)，數(shù)據(jù)分析模塊通過RS232通道召測終端通信參數(shù)，包括終端上設(shè)置的主站ΙP地址或者端口號(hào)，SΙM卡號(hào)碼和終端撥號(hào)信息等，并與預(yù)期值進(jìn)行比對，執(zhí)行診斷。再切換到GPRS無線通道召測終端數(shù)據(jù)，排查GPRS通信模塊硬件故障。

2.2 上線穩(wěn)定性測試

執(zhí)行上線穩(wěn)定性和抄讀成功率測試方案，下發(fā)診斷任務(wù)，數(shù)據(jù)分析模塊通過RS232通道召測終端通信參數(shù)，包括當(dāng)前無線信號(hào)強(qiáng)度，心跳間隔，月通信流量等，并與預(yù)期值進(jìn)行比對，執(zhí)行診斷。再切換到GPRS無線通道召測終端在執(zhí)行的數(shù)據(jù)采集任務(wù)數(shù)，偵聽異常告警上報(bào)情況，并通過點(diǎn)對點(diǎn)召測方式進(jìn)行測量點(diǎn)有效性核對。排查影響終端上線穩(wěn)定的因素。同時(shí)也可監(jiān)測到一些指標(biāo)狀態(tài)，如電流不平衡、電流過負(fù)荷、缺相、失壓等。

2.3 PLC模塊地址分配

如圖4，測試平臺(tái)初始化后，模擬主站首先對電能表PLC模塊發(fā)送分配邏輯地址請求，模塊允許后數(shù)據(jù)管理器為該模塊分配地址，并監(jiān)聽回復(fù)報(bào)文，數(shù)據(jù)分析模塊判斷邏輯地址分配是否成功，若任意報(bào)文缺失則認(rèn)為分配失敗。

圖4 PLC模塊地址分配過程

2.4 數(shù)據(jù)采集測試

首先由模擬主站通過計(jì)量終端下發(fā)電表數(shù)據(jù)采集命令，電能表收到數(shù)據(jù)管理器轉(zhuǎn)發(fā)的采集命令后，將采集到的數(shù)據(jù)通過RS232串口回復(fù)至數(shù)據(jù)管理器。然后，PLC模塊收到數(shù)據(jù)管理器數(shù)據(jù)報(bào)文后通過PLC通道發(fā)送至計(jì)量終端，最后通過上行通道回送至模擬主站。測試系統(tǒng)通過RS232串口打開電表與PLC模塊間的通訊接口是為了獲取電表實(shí)際數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)采集結(jié)果的分析判斷。比較模擬主站在上述過程中獲取的采集數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)管理器監(jiān)聽到的電表數(shù)據(jù)，若數(shù)值一致則表明數(shù)據(jù)采集成功，反之失敗。

2.5 通訊故障實(shí)例分析

該系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)發(fā)現(xiàn)的一些常見故障實(shí)例如下：

1)上行無線通信故障。故障終端通過RS232通信正常，但上行無線通信無法登錄，終端撥號(hào)信息提示硬件檢測失敗，經(jīng)查發(fā)現(xiàn)部分終端的GPRS通信模塊與終端的接觸不良，部分模塊重新拔插后恢復(fù)正常，但部分故障依舊，則判斷為通信模塊故障，需更換故障模塊。部分終端撥號(hào)信息提示建立PPP連接失敗，其可能是因?yàn)槲窗惭bSΙM卡或卡損壞，異或SΙM卡與通信模塊的卡槽接觸不良。也可能是SΙM卡欠費(fèi)，此時(shí)常伴隨時(shí)間性或者地域性特征，可通過月通信流量情況判斷。部分終端撥號(hào)信息提示登錄主站失敗，可通過RS232通道召測到的終端通信參數(shù)進(jìn)行分析，可能的故障原因包括終端上設(shè)置的主站ΙP地址或者端口號(hào)，SΙM卡號(hào)碼不正確等。

2)上線不穩(wěn)定案例。故障終端在線時(shí)間過低，終端頻繁登陸、退出。通過RS232信道讀取無線信號(hào)強(qiáng)度和心跳間隔，發(fā)現(xiàn)部分終端無線信號(hào)強(qiáng)度低(RSSΙ小于-90 dBm)，或心跳間隔過短（不大于1 min/次），導(dǎo)致心跳幀過多，易導(dǎo)致流量超標(biāo)。部分終端在通過GPRS無線通道召測終端在執(zhí)行的數(shù)據(jù)采集任務(wù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)存在許多無效的任務(wù)模板，導(dǎo)致終端采集任務(wù)重，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁堵，部分終端通過點(diǎn)對點(diǎn)召測進(jìn)行測量點(diǎn)有效性核對時(shí)發(fā)現(xiàn)存在許多無效測量點(diǎn)，也會(huì)占用終端資源，造成上線不穩(wěn)定。

3)采集終端故障。某待測系統(tǒng)發(fā)生采集失敗后，首先核對數(shù)據(jù)管理器的上行通信的記錄表明模擬主站與計(jì)量終端間GPRS通信正常，可排除模擬主站及上行信道的故障，然后根據(jù)下行報(bào)文解析出故障采集點(diǎn)的地址，定位到電表PLC模塊的地址，然后，根據(jù)該地址核對計(jì)量終端下行通信記錄，發(fā)現(xiàn)無計(jì)量終端向該地址的模塊轉(zhuǎn)發(fā)命令的記錄，但是有PLC模塊通過數(shù)據(jù)管理器向電表轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文的記錄，則定位故障點(diǎn)為計(jì)量終端。

(4)電表PLC模塊登錄故障。在某電表的PLC模塊的歷史通訊記錄中查詢到，在其地址分配過程中，短時(shí)間內(nèi)有多次數(shù)據(jù)管理器對其“發(fā)送 55”的記錄，即地址分配請求，但未收到回復(fù)，并達(dá)到最大重試次數(shù)，則認(rèn)為該電表PLC模塊登錄異常。

3 結(jié)束語

針對計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)上/下行信道涉及的通信單元較多，電力線載波的通訊故障定位困難的問題，研究了上行無線通信和上線穩(wěn)定性測試、電表載波模塊地址分配和計(jì)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集測試的機(jī)理和流程，研制了一種計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)上行和載波通信聯(lián)合測試平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)計(jì)量終端和電能表載波通訊模塊的通訊功能測試和故障定位功能。給出了關(guān)于電表載波模塊和計(jì)量終端的四類常見故障案例的故障點(diǎn)分析和定位過程，測試結(jié)果驗(yàn)證了本文測試平臺(tái)的可行性。